سلولهاي دست ساز، مدلي ساده براي ساختاري پيچيده

"سلولها جالب هستند چون آنها حتي در سطح سيتوپلاسم ها هم يک سازمان را نشان مي دهند، اگر چه عملکرد سلولها هم مهم است، اما هميشه فهميدن نحوه ي عملکرد سلولها آسان نيست." دکتر کريستين کتينگ که اين سخنان را مي گفت، در ادامه مي گويد: "ما از موادي صحبت مي کنيم که به علم شيمي کمک مي کند که مدلي ساده، پيشرفته و عملي از سازمان سيتوپلاسم داشته باشد." اين سخناني بود که وي در جلسه ي سالانه انجمن پيشرفت علم آمريکا در سال 2009 بيان کرد. سيتوپلاسم ماده اي است که سلول را پر مي کند و پر از مولکولهاي بزرگ است. اين ماده اورگنال ها را (orgenals)در بر مي گيرد (عضوي خيلي کوچک مانند ميتوکوندرا و هسته سلول است). برخلاف اورگنال ها، سيتوپلاسم يک ترکيب همگاني و اصلي براي تمام سلول ها به شمار مي رود. خيلي از فرآيندهاي مهم بيوشيميايي در آن رخ مي دهد. بنابراين سيتوپلاسم مانند يک بازيگر بزرگ در سلول به حساب مي آيد.
ساختن يک سلول با اورگنال ها کار بزرگي به حساب مي آيد، اما ساختن يک سلول که انبوه مولکول ها، ناهنجاري ترکيبي آنها را نمايش دهد، با استفاده از مولکولهاي بزرگ پليمري و يک غشاي ليپيدي امکان پذير است.
خانم کيتينگ از ليپيد براي ساخت کيسه هاي کوچک استفاده مي کند، حباب هاي کوچکي در اندازه ي سلول از غشاي ليپيدي در يک محيط آبي از دو پليمر بزرگ.
در یک مورد او از (Poly(ethyleneglycol)(PEG) که يک پليمر معمولي و پرمصرف است و dextran و قند پليمر شده براي ساخت سلول استفاده کرد.
کيتينگ مي گويد: "اگر چه اين ترکيبات در يک سلول مهم نيستند، اما آنها دليل جدايي مولکول هاي بزرگ در داخل يک سلول بدون غشاهاي داخلي هستند."
سيتوپلاسم معمولاً از مولکول هاي بزرگ پروتئين نوکليئيک اسيد و کربوهيدرات ها پر شده اند. ترکيبي از مقدار کم PEG، مقدار کم dextran وآب و ليپيد خشک به ليپيد اجازه مي دهد که دوباره آب دار شود . کيسه هاي کوچک تشکيل دهد. dextran و PEGبا همان غلظت مايع اطراف، کيسه ها را پر مي کنند. پوسته هاي ليپيد ترکيب آب با PEG و dextran را به صورت کپسول در مي آروند اما اين ماده تقسيم مي شود تا دو قسمت کاملاً آشکار را تشکيل دهد. يک قسمت با درصد بالاتري از PEG و يک قسمت با درصد بالاتري از dextran.
کيتينگ مي گويد: مواد به صورت کامل و به صورت يک قسمت شامل يک ماده و ديگري شامل ماده ي ديگر، از هم جدا نمي شوند. اما اين دو فاز مايع آن قدر متفاوت هستند که مولکولهاي اضافي مثل پروتئين ها و نوکلئيک اسيدها، يکي را بر ديگري ترجيح داده و در آن متمرکز مي شوند.
زمانی که مقادير زيادي از اين مواد وجود داشته باشد، محققان توانسته اند فاز مايع را به 15 کمپوند (ماده ي مرکب) مختلف تقسيم کنند. به همين صورت تقسيم هاي چندگانه ممکن است در سيتوپلاسم رخ دهد. زيست شناسان مي دانند که آنزيم ها و ديگر پروتئينها تمايل دارند که کنار هم جمع شوند يا در زمان هاي معيني در مکان هاي مشخصي از سلول قرار گيرند.
اين کنار هم قرار گرفتن ممکن است موجب انجام واکنش هاي شيميايي در مسير متابوليکي به صورت سريعتر مي شود چون نياز مواد شيميايي براي رسيدن به قدم بعدي شان در نزديک شان قرار گرفته است.
استفاده از گرما يا تغييري در فشار اسمزي مي توان موجب ترکيب مواد جداشده از هم، با همديگر شود. اما به محض سردکردن يامعکوس کردن فشار ابتدايي، مواد دوباره از هم جدا مي شوند.
به گفته ي کيتينگ "قرار دادن مواد در سلولهاي مصنوعي بايد ممکن باشد و پس از آن هم اين فرآيند برگشت پذير باشد. پس از آن ما مي توانيم مولکولهاي را در يک زمان مشخص کنار هم بگذاريم و آنها را از هم جدا کنيم تا بتوانيم فعاليت هاي آنها را کنترل کنيم."
کيتينگ معتقد است که برخي از واکنش هاي شيميايي در سلولها شايد با کنار هم قرار دادن مواد کنترل شود. اگر او بتواند چنين مجتمع سازي اي را در سلولهاي مصنوعي اش عملي کند، مطالعه کردن سيستم آسان خواهد بود.
کيتينگ مي گويد: "به نظر من جواب اين که مجتمع سازي مي تواند چنين نقشي را بازي کند يا نه احتمالاً بله است. اما ثابت کردنش چندان آسان نيست. با يک سيستم ساده ي برگشت ناپذير اين ايده را مي توانيم آزمايش کنيم و بفهميم که چگونه يک اثر بزرگ ممکن است."
اين سلولهاي ابتدايي مي توانند مولکول هاي بزرگ داخل سيتوپلاسم را هم مدل سازي کنند، که چنين چيزي اتفاق هم مي افتد، چون که مولکول هاي خيلي بزرگ، مثل پروتئينها، همگي براي يک فضاي يکسان رقابت مي کنند. مولکولهاي بزرگ زنجيره هاي بزرگي را از اتم ها دارند که بعضي مواقع شاخه هايي هم دارند و داخل ساختارشان فضاي خالي زيادي وجود دارد. وقتي با مولکول بزرگ ديگري روبروي مي شوند، اين مولکولهاي بزرگ نمي توانند همان فضا را اشغال کنند بنابراين به داخل خودشان فرو مي روند، بعضي از آن فضاهاي خالي را پر مي کنند و خودشان را کوچکتر مي کنند.
مولکولهاي بزرگ که جمع و جور شده اند نسبت به مولکول هايي که کوچک نشده اند، متفاوت عمل مي کنند. نرخ واکنش مولکولهاي درهم برهم و در فضاي محدود و شلوغ، به طرز مهيجي مي تواند از آن مولکولهايي که در فضاي محدود نيستند، متفاوت باشد. اين سلولهاي مصنوعي با سيتوپلاسم مصنوعي، ممکن است به محققان اجازه دهد تا تأثيرات مولکولهاي محصور در يک فضاي شلوغ را در مسير کنترل شده بررسي کنند.
همچنين محققان در حال بررسي اثرات قطبش و همچنين مواد مرکب ديگر بر روي اين سلولهاي ناهمگن هستند.
به گفته ي کيتينگ "يکي از چيزهايي که ما داريم بررسي مي کنيم اين است که يونها در سلولهاي مدل چگونه رفتار مي کنند. ما مي خواهيم از اثرات معمول يون هايي مثل پتاسيم و منيزيم که مي توانند بر روي عملکرد و ساختار پروتئين ها ونوکلئيک اسيدها دارند، استفاده کنيم."
اين پليمري که محتوي سلولهاي مصنوعي اوليه است ممکن است بتواند مدل عملي و آزمايشي خيلي ساده اي براي بررسي چيزي که در محيط هاي خيلي پيچيده تر سلولهاي بيولوژکي در حال رخ دادن است، ارائه دهد.
منبع: penn state
/س